摘要：與普通勵(lì)磁發(fā)電機(jī)相比，永磁發(fā)電機(jī)具有功率密度高、特征信號(hào)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、發(fā)電機(jī)的尺寸和形狀靈活多樣等性能特點(diǎn)。永磁同步發(fā)電機(jī)由于沒有勵(lì)磁繞組和勵(lì)磁電源，采用了稀土永磁材料，功率質(zhì)量比較顯著，同時(shí)由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和逆變技術(shù)可靠性的完善和發(fā)展，主要用于要求響應(yīng)快速、調(diào)速范圍寬、定位準(zhǔn)確的高性能柴油發(fā)電機(jī)組供電系統(tǒng)。

一、勵(lì)磁和永磁發(fā)電機(jī)的各種特點(diǎn)

      柴油發(fā)電機(jī)組的電球可分為永磁發(fā)電機(jī)和勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，永磁發(fā)電機(jī)與勵(lì)磁發(fā)電機(jī)的最大區(qū)別在于它的勵(lì)磁磁場(chǎng)是由永磁體產(chǎn)生的。永磁體在電機(jī)中既是磁源，又是磁路的組成部分。勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流；而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。

1、勵(lì)磁發(fā)電機(jī)

      勵(lì)磁功率單元向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子提供勵(lì)磁電流；而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則根據(jù)輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元的輸出。勵(lì)磁系統(tǒng)的自動(dòng)勵(lì)磁調(diào)節(jié)器對(duì)提高電力系統(tǒng)并聯(lián)機(jī)組的穩(wěn)定性具有相當(dāng)大的作用。尤其是現(xiàn)代電力系統(tǒng)的發(fā)展導(dǎo)致機(jī)組穩(wěn)定極限降低的趨勢(shì)，也促使勵(lì)磁技術(shù)不斷發(fā)展。同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)主要由功率單元和調(diào)節(jié)器（裝置）兩大部分組成。

      其中勵(lì)磁功率單元是指向同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組提供直流勵(lì)磁電流的勵(lì)磁電源部分，而勵(lì)磁調(diào)節(jié)器則是根據(jù)控制要求的輸入信號(hào)和給定的調(diào)節(jié)準(zhǔn)則控制勵(lì)磁功率單元輸出的裝置。由勵(lì)磁調(diào)節(jié)器、勵(lì)磁功率單元和發(fā)電機(jī)本身一起組成的整個(gè)系統(tǒng)稱為勵(lì)磁系統(tǒng)控制系統(tǒng)。勵(lì)磁系統(tǒng)是發(fā)電機(jī)的重要組成部份，它對(duì)電力系統(tǒng)及發(fā)電機(jī)本身的安全穩(wěn)定運(yùn)行有很大的影響。勵(lì)磁系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：

（1）根據(jù)發(fā)電機(jī)負(fù)荷的變化相應(yīng)的調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，以維持機(jī)端電壓為給定值；

（2）控制并列運(yùn)行各發(fā)電機(jī)間無(wú)功功率分配；

（3）提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的靜態(tài)穩(wěn)定性；

（4）提高發(fā)電機(jī)并列運(yùn)行的暫態(tài)穩(wěn)定性；

（5）在發(fā)電機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí)，進(jìn)行滅磁，以減小故障損失程度；

（6）根據(jù)運(yùn)行要求對(duì)發(fā)電機(jī)實(shí)行最大勵(lì)磁限制及最小勵(lì)磁限制。

2、永磁同步發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)

      稀土鈷永磁和釹鐵硼永磁等永磁材料于20世紀(jì)后期相繼問世，它們具有高剩磁密度、高矯頑力、高磁能積和線性退磁曲線等優(yōu)異性能，因此特別適合應(yīng)用在永磁同步發(fā)電機(jī)上。從此，永磁同步發(fā)電機(jī)進(jìn)入了飛速發(fā)展的時(shí)代。與傳統(tǒng)的電勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)相比，永磁同步發(fā)電機(jī)有以下幾個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單

      永磁同步發(fā)電機(jī)省去了勵(lì)磁繞組和容易出問題的集電環(huán)和電刷，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單（如圖1所示），加工和裝配費(fèi)用減少。

（2）體積小

      采用稀土永磁可以增大氣隙磁密，并把發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速提高到最佳值，從而顯著縮小發(fā)電機(jī)體積，提高功率質(zhì)量比。

（3）效率高

      由于省去了勵(lì)磁用電，沒有勵(lì)磁損耗和電刷集電環(huán)間的摩擦、接觸損耗。另外，在設(shè)置緊圈的情況下，轉(zhuǎn)子表面光滑，風(fēng)阻小。與凸極式交流電勵(lì)磁同步發(fā)電機(jī)相比，同等功率的永磁同步發(fā)電機(jī)的總損耗大約要小10％～15％。

（4）電壓調(diào)整率小

      處于直軸磁路中的永磁體的磁導(dǎo)率很小，直軸電樞反應(yīng)電抗較電勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)小得多，因而固有電壓調(diào)整率也比電勵(lì)磁式同步發(fā)電機(jī)小。發(fā)電機(jī)電路示意圖如圖2所示。

（5）高可靠性

      永磁同步發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子上沒有勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子軸上也不需要安裝集電環(huán)，因而沒有電勵(lì)磁式發(fā)電機(jī)上存在的勵(lì)磁短路、斷路、絕緣損壞、電刷集電環(huán)接觸不良等一系列故障連帶關(guān)系。另外，由于采用永磁體勵(lì)磁，永磁同步發(fā)電機(jī)的零部件也少于一般發(fā)電機(jī)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠。

      雖然永磁同步發(fā)電機(jī)具有上述諸多優(yōu)點(diǎn)和廣泛的應(yīng)用前景，但從目前的實(shí)際應(yīng)用情況來(lái)看，其應(yīng)用仍有一定局限，未能得到大面積的推廣和使用。主要原因在于永磁同步發(fā)電機(jī)采用永磁體勵(lì)磁，由于永磁體的高矯頑力使得從外部調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的磁場(chǎng)變化極為困難；由于勵(lì)磁不可調(diào)，轉(zhuǎn)速的變化和負(fù)載電流的變化都將造成輸出電壓的波動(dòng)?？梢哉f(shuō)，勵(lì)磁不可調(diào)整引起的輸出電壓不穩(wěn)已經(jīng)成為限制永磁同步發(fā)電機(jī)推廣應(yīng)用的瓶頸。

二、永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)

1、整體結(jié)構(gòu)

      永磁發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。

（1）定子

      定子是指發(fā)電機(jī)在運(yùn)行時(shí)的固定部分，主要由硅鋼片、三相丫形聯(lián)結(jié)的對(duì)稱分布在定子槽中彼此相差120°電角度的電樞繞組、固定鐵心的機(jī)殼及端蓋等部分組成。

（2）轉(zhuǎn)子

      轉(zhuǎn)子是指發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的旋轉(zhuǎn)部分，通常由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁體磁鋼、套環(huán)和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸組成。永磁材料，尤其是鈷永磁材料的抗拉強(qiáng)度低，質(zhì)硬而脆。如果轉(zhuǎn)子上無(wú)防護(hù)措施，當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子直徑較大或高速運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子表面所承受的離心力已接近甚至超過(guò)永磁材料的抗拉強(qiáng)度，將使永磁體出現(xiàn)破壞，所以高速運(yùn)行的永磁同步發(fā)電機(jī)多選用套環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。所謂套環(huán)式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，就是通過(guò)一個(gè)高強(qiáng)度的金屬材料制成的薄壁圓環(huán)緊緊地套在轉(zhuǎn)子外圓或內(nèi)圓處，通過(guò)套環(huán)把電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體磁鋼、軟鐵極靴都固定在相應(yīng)的位置上。這樣，永磁同步發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子像一個(gè)完整的實(shí)心體，保證了高速運(yùn)行時(shí)的可靠性。

2、轉(zhuǎn)子的磁路結(jié)構(gòu)

      永磁同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)主要表現(xiàn)在轉(zhuǎn)子上，通常，按照永磁體磁化方向與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向的相互關(guān)系，可分為切向式和徑向式等。

（1）切向式轉(zhuǎn)子磁路的結(jié)構(gòu)

      在切向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)子的磁化方向與氣隙磁通軸線接近垂直且離氣隙較遠(yuǎn)，其漏磁比較大。但永磁體產(chǎn)生并聯(lián)作用，有兩個(gè)永磁體截面對(duì)氣隙提供每極磁通，可提高氣隙磁密，尤其在極數(shù)較多的情況下更為突出。因此，切向式適合于極數(shù)多且要求氣隙磁通密度高的永磁同步發(fā)電機(jī)。永磁體和極靴的固定方式采用套環(huán)式結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

（2）徑向式轉(zhuǎn)子磁路的結(jié)構(gòu)

      徑向式轉(zhuǎn)子磁路結(jié)構(gòu)如圖4所示，永磁體的磁化方向與氣隙磁通軸線一致且離氣隙較近，在一對(duì)磁極的磁路中，有兩個(gè)永磁體提供磁動(dòng)勢(shì)，永磁體工作于串聯(lián)狀態(tài)，每塊永磁體的截面提供發(fā)電機(jī)每極氣隙磁通，每塊永磁體的磁勢(shì)提供發(fā)電機(jī)一個(gè)極的磁勢(shì)。